海水鹽度對(duì)黏土礦物基本特性影響規(guī)律研究

苗永紅，陸 強(qiáng)，朱 杰，徐桂中

(1.江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013；2.江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003；3.鹽城工學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)

海水鹽度對(duì)黏土礦物基本特性影響規(guī)律研究

苗永紅1，陸 強(qiáng)1，朱 杰2，徐桂中3

(1.江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013；2.江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003；3.鹽城工學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)

為研究海水鹽度對(duì)黏土礦物的基本特性包括液限、塑限、塑性指數(shù)和顆粒級(jí)配的影響，測(cè)量了黏土礦物在不同濃度NaCl溶液中和不同浸泡時(shí)間下的液塑限，并進(jìn)行了不同濃度NaCl溶液中的黏土礦物的顆分試驗(yàn)。結(jié)果表明：鹽度對(duì)蒙脫土的液塑限影響非常顯著，隨著鹽度增加，液塑限降低，并且降低的趨勢(shì)變緩；與蒙脫土相比，鹽度對(duì)伊利土和高嶺土的液塑限的影響較??；當(dāng)鹽度一定時(shí)，不同的浸泡時(shí)間對(duì)黏土礦物的基本特性的影響很?。活w分試驗(yàn)顯示不同鹽度下蒙脫土的黏粒含量減小顯著，高嶺土和伊利土黏粒含量降低較小，表明NaCl溶液使蒙脫土土中細(xì)顆粒產(chǎn)生凝聚效果顯著，而鹽溶液對(duì)高嶺土和伊利土中的細(xì)顆粒凝聚效果不明顯。

巖土工程；黏土礦物；NaCl溶液；液塑限；顆粒級(jí)配

0 引 言

我國(guó)擁有綿長(zhǎng)的海岸線，近年來海洋工程越來越多，經(jīng)常會(huì)遇到海水環(huán)境下天然沉積軟黏土的工程性質(zhì)問題[1-3]。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)黏土在海水環(huán)境中的工程性質(zhì)開展了研究。

Y.YUKSELEN-AKSOY等[4]的研究表明：當(dāng)黏土的液限，塑性指數(shù)，分別超過110%，70%時(shí)，黏土的物理性質(zhì)受海水影響顯著；與蒙脫土相比，高嶺土，綠泥土以及混合黏土的基本特性受海水影響不是很顯著。A.KAYA等[5]和A.H.?REN等[6]的研究表明：海水鹽度對(duì)黏土工程性質(zhì)尤其是膨脹土有很大的影響。文獻(xiàn)[7-9]的研究數(shù)據(jù)表明：蒙脫土的液限受鹽溶液影響產(chǎn)生顯著的減小。在國(guó)內(nèi)，柴壽喜等[10]和梁健偉等[11]認(rèn)為：隨著含鹽量的增加，土中粗顆粒越來越多，總的比表面積越來越小，土顆粒表面的雙電層受到壓抑，使土粒間的斥力減弱，吸引力增強(qiáng)，顆粒的間距變小，結(jié)合水膜的厚度變薄，顆粒能吸附水的數(shù)量也就越來越少，總體上導(dǎo)致土的液限、塑限和塑性指數(shù)越來越低。諶文武等[12]認(rèn)為隨著鹽度增大，含鹽土樣的液限、塑限以及塑性指數(shù)均逐漸減小，試樣由粉質(zhì)黏土變?yōu)榉弁?。由于鹽分的加入，鹽分作為電解質(zhì)對(duì)土粒產(chǎn)生團(tuán)聚作用。使得試樣中黏粒含量相對(duì)減小。

需要指出，在研究海水鹽度對(duì)土的物理力學(xué)特性研究時(shí)，都首先需要制備海水環(huán)境下的試樣。傳統(tǒng)離子環(huán)境下土的制樣方法主要有浸泡置換法和離心萃取法。張文杰等[13]將土樣浸泡在不同濃度的NaCl溶液中，浸泡不同時(shí)間后取出土樣測(cè)量不同深度土樣中的氯離子濃度；在環(huán)境巖土中，劉志彬等[14]為研究鋅離子對(duì)膨潤(rùn)土性質(zhì)的影響，將干燥膨潤(rùn)土與不同濃度的硝酸鋅溶液混合并充分?jǐn)嚢瑁銣仞B(yǎng)護(hù)規(guī)定時(shí)間后取樣；張建紅等[15]將土樣和氯化銅溶液放入離心機(jī)中，在離心加速度下旋轉(zhuǎn)進(jìn)行充分的排水固結(jié)，轉(zhuǎn)動(dòng)一定的時(shí)間后取樣。其中，浸泡置換法因其簡(jiǎn)便有效，得到很多學(xué)者的采用。

黏土礦物是影響?zhàn)ね凉こ绦再|(zhì)的重要組成成分，天然沉積軟黏土中各種黏土礦物含量影響著黏土的基本特性。通過研究海水鹽度對(duì)黏土礦物基本性質(zhì)的影響可以為海洋工程中預(yù)測(cè)黏土的工程性質(zhì)和解決工程問題提供一定的依據(jù)和參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 土樣介紹

試驗(yàn)采用的3種黏土礦物分別為高嶺土、伊利土及鈣基蒙脫土。其中：高嶺土取自中國(guó)江蘇徐州地區(qū)；伊利土取自于中國(guó)浙江紹興市；鈣基蒙脫土取于中國(guó)河南靈壽縣。這3種土樣的基本物理指標(biāo)見表1。

表1 3種黏土礦物的基本物理指標(biāo)

1.2 土樣制備

為模擬海水環(huán)境，本試驗(yàn)采用不同濃度的NaCl溶液浸泡3種黏土礦物土樣來研究海水鹽度對(duì)黏土礦物基本特性的影響。為確定合適的浸泡時(shí)間，試驗(yàn)制樣采用將黏土礦物浸泡在4%濃度的NaCl溶液中0，15，30 D(D表示天數(shù))。0 D表示直接用風(fēng)干的黏土礦物與NaCl溶液測(cè)量液塑限。浸泡過程中連續(xù)攪拌使其與溶液離子進(jìn)行充分的離子交換。攪拌充分后將盛器用塑料袋密封保存防止水分蒸發(fā)導(dǎo)致溶液中鹽度的變化，待溶液澄清后用吸管將水排出，再加入相應(yīng)濃度的NaCl溶液后攪拌均勻，反復(fù)進(jìn)行5次，使黏土礦物與鹽溶液進(jìn)行充分的離子置換。浸泡到規(guī)定的時(shí)間取出土樣進(jìn)行液塑限的測(cè)定。選擇黏土礦物液塑限基本穩(wěn)定時(shí)的浸泡時(shí)間為比較合適的制樣時(shí)間。

確定制樣時(shí)間后，再將黏土礦物風(fēng)干土浸泡在2%，4%，6%，8%，10%濃度的NaCl溶液中，按照上述方法進(jìn)行制樣，浸泡到比較合適的制樣時(shí)間后測(cè)定液塑限。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用液塑限聯(lián)合測(cè)定法。測(cè)量過程中為保持土粒周圍孔隙液濃度不變，將經(jīng)過規(guī)定時(shí)間浸泡后的土樣用土工布包裹后用重物進(jìn)行靜置壓縮，待其進(jìn)行充分排水固結(jié)后取出土樣進(jìn)行液塑限的測(cè)試。試驗(yàn)中采用的也是加入相應(yīng)濃度的NaCl溶液進(jìn)行液塑限的測(cè)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 浸泡時(shí)間對(duì)黏土礦物液塑限的影響

黏土礦物液塑限隨浸泡時(shí)間變化規(guī)律如圖1。

圖1(a)為蒙脫土液塑限隨時(shí)間變化規(guī)律。蒙脫土液限在加入NaCl溶液后從淡水中的275.5%下降到106.0%左右，表明鹽度對(duì)蒙脫土的液限影響很大。在4%鹽度下，在15 D前，蒙脫土的液限有很小的增加，15 D后蒙脫土的液限基本保持不變。不同的浸泡時(shí)間下測(cè)得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)相差較小，最大差值遠(yuǎn)小于液限的5%。表明NaCl溶液對(duì)蒙脫土液限的影響是瞬時(shí)性的，浸泡時(shí)間對(duì)液限影響很小，是可以忽略的。蒙脫土塑限基本在52.0%左右，同時(shí)，塑性指數(shù)變化規(guī)律與液限一致。浸泡時(shí)間雖然對(duì)蒙脫土的液塑限和塑性指數(shù)有一定的影響，但是在一定的鹽度下這樣影響較小，沒有顯著地改變蒙脫土的物理性質(zhì)。

圖1(b)為高嶺土液塑限隨時(shí)間變化規(guī)律。高嶺土加入NaCl溶液后液限從淡水中的55.8%降到53.1%，減小了將近2.5%。在浸泡了15 D后其液限下降了接近2.0%左右，15 D之后液限基本不變，液限也基本接近51.0%。在15 D內(nèi)，高嶺土液限雖然下降了2.0%，但是下降值小于液限的5%。高嶺土塑限也呈現(xiàn)同樣規(guī)律。同時(shí)，高嶺土的塑性指數(shù)基本不受浸泡時(shí)間影響。

圖1(c)為伊利土液塑限隨時(shí)間變化規(guī)律。伊利土加入NaCl溶液后液限由淡水中的54.5%下降到了53.5%，變化很小。在15 d前液限下降了2.0%左右，15 D之后伊利土的液限基本在51.0%左右，基本不變。伊利土的塑限也顯示同樣的變化。同樣，伊利土的塑性指數(shù)沒有很大的變化。

圖1 黏土礦物液塑限隨浸泡時(shí)間變化Fig.1 Liquid and plastic limits change with soaking times

由圖1還可看出：蒙脫土在鹽水中液限比在淡水中下降較大；而高嶺土和伊利土在鹽水中的液限比淡水中有所減小。蒙脫土顯著變化可能是因?yàn)槊擅撌ね疗瑢娱g是由分子間的相互作用，連接力很弱，鹽溶液較易進(jìn)入其間，導(dǎo)致在鹽溶液中比在淡水中蒙脫土性質(zhì)改變更快。而高嶺土和伊利土黏土片層間是氫鍵連接，連接力較強(qiáng)，鹽溶液難以進(jìn)入其間，所以在鹽溶液中比在淡水中高嶺土和伊利土的液塑限改變較小。通過試驗(yàn)可知15 D后黏土礦物的液塑限變化很小，以15 D浸泡后的土樣進(jìn)行測(cè)定的液塑限就可以代表在該鹽度下土的基本性質(zhì)，因此以15 D作為制樣時(shí)間是比較合適的。

2.2 鹽度對(duì)黏土礦物液塑限的影響

分別使用蒙脫土、高嶺土、伊利土與不同濃度NaCl溶液浸泡15 D后進(jìn)行液塑限的測(cè)量，如圖2。

圖2(a)為蒙脫土液塑限隨鹽度變化規(guī)律。蒙脫土液限隨NaCl溶液濃度變化差異很大，總體上降低近200%。當(dāng)鹽度在0%～6%時(shí)，蒙脫土液限變化極為明顯，說明海水環(huán)境下對(duì)蒙脫土的物理性質(zhì)影響很大；當(dāng)鹽度超過6%時(shí)，蒙脫土液限下降減緩，趨于平緩。同時(shí)，蒙脫土塑性指數(shù)隨鹽度與液限變化規(guī)律一致，表明蒙脫土物理性質(zhì)隨著鹽度增加產(chǎn)生了顯著地變化。蒙脫土塑限整體上也隨著鹽度減小，鹽度在0%～4%時(shí)塑限減小較多，在6%～10%塑性基本不變。

圖2(b)為高嶺土液塑限隨鹽度變化規(guī)律。高嶺土液限在不同鹽度下隨鹽度增加總體上降低約6%，當(dāng)鹽度超過8%時(shí)，變化趨于平緩，鹽度對(duì)高嶺土的性質(zhì)影響很小。在不同鹽度下高嶺土的塑限和塑性指數(shù)均降低較小，基本保持不變。這表明鹽度對(duì)高嶺土的物理性質(zhì)有一定的影響，但是沒有蒙脫土那么顯著。

圖2(c)為伊利土液塑限隨鹽度變化規(guī)律。伊利土液限隨鹽度增加降低很小，為4%左右，在鹽度超過6%后基本保持不變，表明鹽度對(duì)伊利土的影響較小。同時(shí)塑限和塑性指數(shù)也基本保持不變。這說明雖然鹽度對(duì)伊利土的物理性質(zhì)有一定影響，但影響較小。

圖3為蒙脫土、高嶺土和伊利土在不同鹽度下的塑性關(guān)系。圖3中：M代表蒙脫土；G代表高嶺土；Y代表伊利土，后面的數(shù)字表示鹽度。

由圖3(a)可以看出：當(dāng)鹽度是0時(shí)，蒙脫土位于A線之上，B線之右，但是鹽度在2%～10%情況下位于A線之下，B線之右，并且擬合曲線基本平行于A線。這表明：在鹽水中蒙脫土由高液限黏土變成粉土性質(zhì)，物理性質(zhì)變化很大，而且在不同鹽度下蒙脫土的液限隨著塑性指數(shù)呈現(xiàn)規(guī)律性變化。

圖3(b)中，當(dāng)鹽度為0%～6%時(shí)，高嶺土位于A線之下，B線之右；當(dāng)鹽度為8%和10%時(shí)，高嶺土位于A線之下，B線之左。所測(cè)點(diǎn)都很接近A線，并且變化范圍與蒙脫土相比較小。此外，圖3(b)中伊利土所有點(diǎn)在A線以下，B線之右，并且也很接近A線。伊利土的變化幅度很小，也沒有蒙脫土變化那么明顯。從圖3(b)中還可以看出：鹽度雖然對(duì)高嶺土和伊利土的物理性質(zhì)有一定的影響，但是變化的范圍在塑性圖中較小，表明高嶺土和伊利土基本性質(zhì)沒有顯著地改變。

圖2 黏土礦物液塑限隨鹽度變化Fig.2 Liquid and plastic limits change with salinities

圖3 黏土礦物塑性示意Fig.3 Plastic map of clay minerals

2.3 鹽度對(duì)黏土礦物顆粒級(jí)配的影響

圖4為蒙脫土顆粒大小分布曲線。

圖4 蒙脫土顆粒大小分布曲線Fig.4 Particle size distribution curve of montmorillonite

由圖4可知，常規(guī)的密度計(jì)法測(cè)量出的蒙脫土的黏粒含量為43.3%，在0%，2%，4%，6%這4種不同鹽度的對(duì)比試驗(yàn)中，可以看到不同鹽度下的曲線差異很大。

由于對(duì)比試驗(yàn)沒有經(jīng)過煮沸和添加分散劑，所以與常規(guī)的顆分曲線有著很大區(qū)別，圖4中的數(shù)據(jù)不能代表蒙脫土在不同鹽度下真正的小于某粒徑質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，但是可以進(jìn)行對(duì)比得到不同鹽度蒙脫土黏粒含量的相對(duì)大小。

筆者選定橫坐標(biāo)為0.015時(shí)縱坐標(biāo)值X0.015來代表不同鹽度下蒙脫土黏粒含量的相對(duì)大小。0%，2%，4%，6%分別對(duì)應(yīng)60.8%，21.3%，17.1%，15.1%。鹽度從0%到2%時(shí)，X0.015大大減小，從2%到6%時(shí)，X0.015減小緩慢。說明鹽溶液使蒙脫土中黏粒含量降低非常明顯，土粒粒徑變化很大，表明顆粒凝聚現(xiàn)象顯著，并且隨著鹽度增大，黏粒含量降低變緩，表明當(dāng)鹽度超過一定數(shù)值后顆粒凝聚現(xiàn)象就不明顯了。

圖5為高嶺土顆粒大小分布曲線。由圖5可知：常規(guī)的密度計(jì)法測(cè)量出的高嶺土的黏粒含量為48.8%，與鹽度為0%，不加熱不加分散劑的分布曲線差異很大。所以跟蒙脫土一樣，筆者選定橫坐標(biāo)為0.015時(shí)縱坐標(biāo)值X0.015代表不同鹽度高嶺土黏粒含量的相對(duì)大小。鹽度為0%，2%，4%，6%時(shí)X0.015分別為66.9%，61.0%，51.3%，45.5%。從X0.015減小規(guī)律可以看到高嶺土在不同鹽度下黏粒含量是減小的，但是相差沒有蒙脫土那么明顯。

圖5 高嶺土顆粒大小分布曲線Fig.5 Particle size distribution curve of kaolinite

圖6為伊利土顆粒大小分布曲線。由圖6可知，常規(guī)的密度計(jì)法測(cè)量出的伊利土的黏粒含量為67.2%，橫坐標(biāo)為0.015時(shí)0%，2%，4%，6%的X0.015為79.9%，77.1%，75.6%，70.1%?？梢钥闯霾煌}度下伊利土的X0.015變化不大，說明隨著鹽度增加，伊利土的黏粒含量也減小。與高嶺土相似，伊利土在不同鹽度下黏粒含量變化并不大。

圖6 伊利土顆粒大小分布曲線Fig.6 Particle size distribution curve of illite

2.4 黏土礦物基本特性變化機(jī)理分析

黏土礦物顆粒表面擴(kuò)散雙電層厚度會(huì)隨著NaCl溶液中離子濃度的增大而變薄。隨著離子濃度的增大，降低了Zeta電位，使得土粒之間排斥力減小，顆粒間距變小，促使絮凝現(xiàn)象產(chǎn)生[16]。

在3種常見的黏土礦物中，蒙脫土的絮凝程度最高。作為單個(gè)黏土片的蒙脫石晶體一般是由幾層晶胞疊加形成，兩層晶胞之間是靠范德華力連接，連接力很弱，水分子容易進(jìn)入晶胞之間。蒙脫土具有較大的表面電荷密度和比表面積，表面活性高，還具有較好的分散性、吸附性、離子交換性和膨脹性，能形成較厚的具有黏滯性的吸附結(jié)合水膜，相應(yīng)的液塑限較高?？紫兑弘x子濃度的增大可能會(huì)引起結(jié)合水膜迅速變薄，顆粒產(chǎn)生絮凝，黏粒含量減小，顆粒能吸附水的數(shù)量也就明顯減小，因此蒙脫土的液塑限產(chǎn)生急劇的降低。當(dāng)鹽度開始增加時(shí)，黏粒含量變化很大，顆粒集聚效應(yīng)顯著。隨著鹽度繼續(xù)增加到一定濃度時(shí)，鹽度的增加不會(huì)進(jìn)一步地促進(jìn)絮凝，反而有可能起到微小的絮散作用[17]。所以蒙脫土的液塑限變化很小，幾乎不變。

而高嶺石晶胞之間是氫鍵連接，性質(zhì)是較穩(wěn)定的。同樣，伊利石晶胞之間是鉀鍵連接，性質(zhì)也較穩(wěn)定。高嶺土和伊利土的電荷密度、比表面積、液塑限及表面活性均次于蒙脫土，在NaCl溶液中形成的結(jié)合水膜厚度有限，當(dāng)溶液濃度增大時(shí)，結(jié)合水膜的厚度可能變薄地不明顯，所以高嶺土和伊利土顆粒絮凝現(xiàn)象不顯著，使得高嶺土顆粒的吸水能力減弱，液塑限減小，但沒有蒙脫土那樣明顯。鹽度增大到一定量時(shí)，高嶺土和伊利土的物理性質(zhì)變化也趨于穩(wěn)定，影響就很小。

3 結(jié) 論

1)在一定鹽度下黏土礦物液限、塑限和塑性指數(shù)在NaCl溶液中隨浸泡時(shí)間變化較小，其中蒙脫土與NaCl溶液反應(yīng)是瞬時(shí)性的，液限相比在淡水中有著顯著下降。而高嶺土和伊利土液限與在淡水中相比有很小的降低，但是不顯著，并且15 D后黏土礦物的物理性質(zhì)基本不變，因此確定15 D為制樣的浸泡時(shí)間。

2)蒙脫土在不同濃度的NaCl溶液中液限有著顯著的變化；隨著鹽度增加明顯地降低，在不同鹽度下蒙脫土在塑性圖中變化非常大，由高液限黏土變?yōu)榉弁恋男再|(zhì)，物理性質(zhì)變化顯著。高嶺土與伊利土在不同的鹽度下的NaCl溶液中液限無顯著變化，隨著鹽度增加降低較小，在塑性圖中變化不大，物理性質(zhì)變化也不明顯。

3)鹽度對(duì)蒙脫土顆粒粒徑影響很大，使蒙脫土細(xì)顆粒產(chǎn)生絮凝現(xiàn)象，黏粒含量減小，蒙脫土的液塑限等物理性質(zhì)變化明顯；并且鹽度在0%～6%時(shí)蒙脫土基本特性變化顯著，超過6%時(shí)變化平緩。而鹽度對(duì)高嶺土和伊利土顆粒粒徑雖有影響，使得土中黏粒含量減小，但減小不明顯，凝聚現(xiàn)象不顯著，因此高嶺土與伊利土的物理性質(zhì)變化不大。

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(責(zé)任編輯 劉 韜)

Research on Influence of Seawater Salinity on Basic Characteristics of Clay Minerals

MIAO Yonghong1, LU Qiang1, ZHU Jie2, XU Guizhong3

(1. Faculty of Civil Engineering and Mechanics, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, P.R.China; 2. School of Architecture and Civil Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, Jiangsu, P.R.China; 3. School of Civil Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng 224051, Jiangsu, P.R.China)

In order to investigate the effect of seawater salinity on such essential characteristics as liquid and plastic limits,plasticity index, and particle size distribution,the liquid and plastic limits of clay minerals under different sodium chloride concentrations and in different soaking durations were measured and the grain size analysis tests of clay minerals with different sodium chloride concentrations were also conducted. The results indicate that the salinity influences greatly liquid and plastic limits of montmorillonite. The liquid and plastic limits decrease with the increase of salinity, and such decreasing trend slows down. Compared with montmorillonite, less salinity effects on kaolinite and illite are found. With certain salinity different soaking durations have little impact on the essential characteristics of clay minerals.The grain size analysis tests show considerable reduction of clay content of montmorillonite with different salinity and small reduction of clay content of kaolinite and illite and the invisible effect of saline solution on fine particle concention in kaolinite and illite.

geotechnical engineering; clay mineral; sodium chloride solution; liquid and plastic limits; particle size distribution

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.02.13

2015-09-25；

2015-11-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51408524)

苗永紅(1973—)，男，山西陽泉人，副教授，博士，主要從事巖土工程勘測(cè)、設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)等方面的研究。E-mail：yhmiao@ujs.edu.cn。

陸 強(qiáng)(1990—)，男，江蘇揚(yáng)州人，碩士研究生，主要從事固化疏浚淤泥方面的研究。E-mail：729952594@qq.com。

TU442

A

1674-0696(2017)02- 072- 06